引言

　　根據(jù) Strategies Unlimited 公司的數(shù)據(jù) （參見圖 1）,，到 2012 年，高亮度 （HB） LED 的市場規(guī)模預計將達到 120 億美元,，到 2015 年,，該市場將增長到 202 億美元，年復合增長率為 30.6%,。目前,，用來給顯示器進行背光照明的 LED 是這種前所未有的增長的主要驅動力。應用包括高清電視機 （HDTV）、汽車顯示器和大量手持式設備,。為了保持這種令人驚嘆的增長率,，LED 不僅必須提供增強的可靠性、更低的功耗和更小 / 更扁平的外形尺寸,，而且必須實現(xiàn)對比度,、畫面清晰度和色彩準確的明顯改進。此外,，汽車,、航空電子設備和航海電子產(chǎn)品的顯示器必須最大限度地實現(xiàn)所有這些改進，同時能接受從明亮的太陽光到?jīng)]有月亮的夜晚等多種環(huán)境照明條件,。這些由晶體管液晶顯示器 （TFT-LCD） 實現(xiàn)的顯示應用包括信息娛樂系統(tǒng),、計量表和種類繁多的儀表顯示器。用 LED 對這些顯示器進行背光照明引起了一些獨特的 LED IC 驅動器設計挑戰(zhàn),，因為要在多種環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性,。這要求 LED 驅動器能提供非常寬的調(diào)光比和高效率轉換，同時能承受汽車中相對苛刻的電及物理環(huán)境的嚴酷性,。最后,，這些解決方案必須提供非常扁平、緊湊的占板面積,，同時提高性價比,。

　　圖 1：高亮度LED市場預測 （Source： Strategies Unlimited）

　　怎樣才能支持汽車照明市場如此令人驚嘆的增長潛力？ 首先,，在產(chǎn)生光方面,，LED 的效率是白熾燈的 10 倍，同時幾乎是熒光燈的兩倍,，包括冷陰極熒光燈 （CCFL）,，因此降低了提供給定量光輸出 （以流明為單位來衡量） 所需的電功率。隨著 LED 進一步發(fā)展,，其有效性或從電功率產(chǎn)生光流明的能力只會繼續(xù)提高,。其次，我們身處于一個關注環(huán)境的世界,，采用 LED 照明時是不需要處理,、接觸和清除 CCFL / 熒光燈中常見的有毒水銀蒸氣。最后,，白熾燈大約每 1,，000 小時就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用 1 萬小時,，相比之下,，LED 的壽命超過 10 萬小時,。在大多數(shù)應用中，這允許 LED 永久嵌入到最終應用中,。就汽車儀表 / 導航 / 信息娛樂系統(tǒng)控制板的背光照明而言,，這一點尤其重要，這些控制板嵌入到汽車內(nèi)部,，因為在汽車壽命期內(nèi),，它們將永遠不需要更換,。此外,，LED 比其他照明燈小和扁平幾個位數(shù)級，因此 LCD 平板顯示器可以非常薄,，需要最低限度的汽車內(nèi)部空間,。還有，通過使用紅,、綠和藍光 LED 配置,，可以提供無限多種顏色光。LED 還能以比人眼可檢測到的速度快得多的速度調(diào)光以及接通 / 斷開,，從而實現(xiàn)了 LCD 顯示器背光照明的顯著改進,，同時允許極高的對比度和高分辨率。

　　汽車照明系統(tǒng)設計師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是,，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 的所有優(yōu)勢,。因為 LED 一般需要準確和高效率的 DC 電流源及調(diào)光方法，所以 LED 驅動器 IC 必須設計為在多種條件下滿足這些要求,。電源解決方案在功能和可靠性方面必須是高效率和可信賴,，同時又非常緊湊和經(jīng)濟實惠。按理,，就驅動 LED 而言,，要求最苛刻的應用之一將會是汽車信息娛樂系統(tǒng)和儀表板 TFT-LCD 背光照明應用，因為它們處于嚴酷的汽車電環(huán)境中,，必須補償范圍很寬的環(huán)境照明條件變化,，而且必須能放入非常受限的空間中，必須做到所有這一切的同時,，還要保持富有吸引力的成本結構,。

　　汽車 LED 背光照明

　　諸如尺寸小、壽命極長,、功耗低和調(diào)光能力增強等優(yōu)勢已經(jīng)導致 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車,、卡車、火車,、飛機和輪船中得到了廣泛采用,。LED 背光照明主要是從信息娛樂系統(tǒng)開始的,，這類系統(tǒng)一般有一個 LCD 顯示屏，安裝在儀表板中央某個部位,，以便駕駛員和乘客都能非常容易地看到它們的位置,、執(zhí)行音頻調(diào)諧和其他各種任務。很多新出現(xiàn)的汽車設計都利用單個儀表板,，以對方便駕駛員實施控制的所有顯示儀表進行背光照明,，如圖 2 所示。對儀表板的 LED 背光照明常常是與信息娛樂系統(tǒng)共用的,，從而非常容易讀取控制板上的數(shù)字,。類似地，包括轎車和火車在內(nèi)的很多車輛以及還有安裝在飛機座椅背后的 LCD 顯示器,，可供乘客看電影,、玩視頻游戲等等。歷史上,，這類顯示器一直使用 CCFL 背光照明,，不過用非常扁平的白光 LED 陣列替換相對較大的 CCFL 燈，以提供更準確和可調(diào)節(jié)的背光照明以及能超過車輛或飛機壽命的工作壽命,，這已經(jīng)變得越來越常見了,。

　　圖 2：LED 背光照明儀表板

　　在這類環(huán)境中采用 LED 有幾種積極的意義。首先,，LED 永遠不需要更換,，因為它們的可靠壽命超過 10 萬小時 （11.5 年的使用年限），已經(jīng)超過了車輛壽命,。這允許汽車制造商將 LED 永久性地嵌入到車內(nèi)背光照明系統(tǒng)中,，而不需要為更換留有余地。因為 LED 照明系統(tǒng)不需要 CCFL 燈那么大的深度或面積,，所以款式也可以顯著改變,。另外，在從輸入電功率提供光輸出 （以流明為單位） 方面,，LED 一般比白熾燈的效率高,。這有兩種積極作用。首先,，LED 從汽車總線泄漏較少的電功率,，而且同樣重要的是，LED 減少了需要在顯示器中散發(fā)的熱量,，從而無需笨重,、昂貴的散熱器。

　　LED 背光照明的另一個重要好處是,，高性能 LED 驅動器 IC 提供的寬調(diào)光比能力,。由于汽車內(nèi)部經(jīng)受著范圍非常寬的環(huán)境照明條件變化,，包括從太陽光直射到完全黑暗之間的每一種變化，而人眼對光輸出中的微小擾動又非常敏感,，顯示屏需要相應地調(diào)暗或調(diào)亮,，因此首要的是，LED 背光照明系統(tǒng)能提供從 1,，000:1 到高達 30,，000:1 的非常寬調(diào)光比。采用合適的 LED 驅動器 IC,，這類寬調(diào)光比相對容易實現(xiàn),，而用 CCFL 背光照明則是不可能的。圖 3 顯示了一個 LED 背光照明儀表板和共享 LED 背光照明的信息娛樂系統(tǒng)顯示屏,。

　　圖 3：LED 背光照明儀表板和導航顯示器

　　汽車 LED 照明設計參數(shù)

　　為了確保最佳性能和長工作壽命,，LED 需要有效的驅動電路,。這類驅動器 IC 必須能靠條件相當苛刻的汽車電源總線工作,，而且經(jīng)濟實惠、空間利用效率高,。為了保持長工作壽命,，首要的是，不要超過 LED 的電流和溫度限制,。

　　汽車行業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一是,，克服汽車電源總線上嚴酷的電環(huán)境。這些主要挑戰(zhàn)是稱為負載突降和冷車發(fā)動的瞬態(tài)情況,。負載突降指的是,，電池電纜斷接同時交流發(fā)電機仍然在給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固而汽車正在運行時,，或當電池電纜斷開而汽車正在行駛時,，可能發(fā)生這種情況。電池電纜這種突然斷接能產(chǎn)生高達 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰,，因為交流發(fā)電機正在嘗試給已經(jīng)不存在的電池充滿電,。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位到大約 36V，并吸收大部分電流浪涌,；不過交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器要承受這 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰,。這些轉換器要求不被損壞，并在這種瞬態(tài)事件發(fā)生時調(diào)節(jié)輸出電壓,。有各種不同的保護電路可供選擇,，通常是瞬態(tài)電壓抑制器，瞬態(tài)電壓抑制器可以在外部采用,，不過增加了成本和重量,，并占用空間,。

　　“冷車發(fā)動”指的是，當汽車發(fā)動機承受寒冷或冰凍溫度一段時間時發(fā)生的情況,。發(fā)動機油變得極度黏滯,，需要發(fā)動機啟動器提供更大的扭矩，這反過來又從電池吸取更大的電流,。這種大電流負載在點火時可能將電池 / 主總線電壓拉低至 6V,，之后負載通常返回標稱的 12V。

　　幸運的是,，對這些問題已經(jīng)有了解決方案,，那就是凌力爾特公司的 LT3760，該器件能在這兩種情況出現(xiàn)時不被損壞,，并調(diào)節(jié)一個固定輸出電壓,。LT3760 6V 至 40V 的輸入電壓范圍使其非常適用于汽車環(huán)境。甚至當 VIN 大于 VOUT （這種情況可能在 40V 瞬態(tài)時發(fā)生） 時,，LT3760 仍將調(diào)節(jié)所需的 LED 電流,。

　　由于大多數(shù)汽車 LCD 背光照明應用都需要 20W 至 35W 的 LED 功率，所以 LT3760 設計為滿足這些需求,。該器件可以將汽車總線電壓 （6V 至 18V / 標稱 12V） 升高至 44V,，以驅動 8 個并聯(lián) LED 串 （每串含有 10 個 80mA 的串聯(lián) LED）。圖 4 顯示了 LT3760 驅動 8 個并聯(lián) LED 串的原理圖,，每串由 10 個 80mA 的 LED 組成,，總功率為 28W。

　　圖 4：采用 LT3760,、效率為 90% 的 28W LED 背光照明電路

　　LT3760 采用自適應反饋環(huán)路設計，該設計調(diào)節(jié)輸出電壓以使其略高于 LED 串的最高電壓,。這最大限度地減小了通過鎮(zhèn)流電路損失的功率,，并幫助優(yōu)化了效率。圖 2 中的電路提供高于 90% 的效率,。這很重要,，因為消除了任何散熱需求，從而實現(xiàn)了占板面積非常緊湊的扁平解決方案,。就驅動 LED 陣列而言,，同樣重要的是，提供準確的電流匹配,，以確保在整個儀表板上保持背光照明亮度一致,。LT3760 在 -40度 至 125度 的溫度范圍內(nèi)保證 LED 電流變化不到 ±2%，而且正如在圖 5 中能看到的那樣,，它的典型值較接近 ±0.5%,。

　　圖 5：圖 4 中的 LED 電流匹配

　　LT3760 采用固定頻率,、恒定電流升壓型控制器拓撲。該器件采用單個 60V 外部 N 溝道 MOSFET,，能驅動 8 串由多達 10 個 100mA 串聯(lián)連接 LED 組成的 LED 串,。其開關頻率是可編程的，并可在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)同步,，從而使其能提供最佳效率,，同時最大限度地減小外部組件尺寸。其設計還使該器件能運行 4 串 200mA 的 LED 串或甚至兩串 400mA 的 LED 串,。每個 LED 串能使用同樣數(shù)量的 LED,，或能以每串不同數(shù)量的 LED 非對稱地運行。

　　LT3760 以高達 3,，000:1 的調(diào)光比和通過控制引腳的模擬調(diào)光 （提供高達 25:1 的調(diào)光比） 提供直接 PWM,。在需要高達 30，000:1 調(diào)光比的應用中,，這兩種調(diào)光功能可以結合起來,，以達到所需調(diào)光比。似乎隨著汽車顯示器技術的完善,，大多數(shù)制造商都更喜歡使用較高的 LED 電流 （50mA 至 100mA）,，以使顯示器在明亮的環(huán)境照明條件下更可讀，同時更喜歡使用較大的調(diào)光比,，以補償不斷變化的環(huán)境照明條件。

　　此外,，LT3760 有集成的保護功能,，包括開路和短路保護以及一個 /FAULT 診斷引腳。例如,，如果一個或多個 LED 串開路,，那么 LT3760 就會調(diào)節(jié)其余的 LED 串，并將 /FAULT 引腳設定為高,。如果所有 LED 串都處于開路狀態(tài),，那么該器件仍會調(diào)節(jié)輸出電壓，而且在兩種情況下,，都會將 /FAULT 引腳設定為高,。類似地，如果在 VOUT 和任何 LED 引腳之間發(fā)生短路,，那么 LT3760 就立即斷開該通道,，并繼續(xù)調(diào)節(jié)其余通道。停用該通道可保護 LT3760 不受大功率熱耗散的影響,，并確?？煽抗ぷ?。為了實現(xiàn)額外的 LED 保護，LT3760 的 CTRL 引腳允許通過 LED 串的環(huán)境溫度設定 LED 電流降額曲線,。一個放置在靠近 LED 處的 NTC 電阻器隨著溫度升高降低 CTRL 引腳電壓,，從而降低了 LED 電流。其他優(yōu)化可讀性的特點包括停機時輸出斷接,、可編程欠壓閉鎖,、微功率停機和內(nèi)部軟啟動。

　　結論

　　對更高性能和經(jīng)濟實惠性永不滿足的需求驅動著 LED 背光照明應用在汽車顯示器中的持續(xù)加速,。這些需求必須由新的 LED 驅動器 IC 來滿足,。結果，這些 LED 驅動器必須提供恒定電流,，以不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化都保持一致的亮度,，必須以高效率工作，必須提供非常寬的調(diào)光比,，且必須有各種保護功能以提高系統(tǒng)可靠性,。當然，這些 LED 驅動器電路還必須提供占板面積非常緊湊,、扁平和熱效率高的解決方案,。幸運的是，凌力爾特公司在不斷重新定義 LED 驅動器系列,，以用面向顯示器應用的 LT3760 等高亮度 LED 驅動器 IC 迎頭客服這些苛刻的挑戰(zhàn),。此外，凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出了一個完整,、專門針對汽車應用的大電流 LED 驅動器 IC 系列,，涵蓋從 LCD 背光照明到轉向指示信號燈以及先進的前向照明前燈等各種應用。隨著汽車照明系統(tǒng)繼續(xù)需要更高性能的 LED 驅動器,，設計師們也將有滿足需求的 IC 解決方案,。